摘 要：在航海雷達(dá)中，雷達(dá)的信號(hào)處理是一個(gè)重要組成部分。將高性能的DSP與計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理是發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)提高船舶導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的性能和保障水上交通的安全有著重要的意義。本文根據(jù)DSP的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其在航海雷達(dá)中的應(yīng)用做了介紹。
船舶交通管理系統(tǒng)是采取多種技術(shù)手段向船舶提供信息服務(wù)，對(duì)船舶進(jìn)行監(jiān)督管理的系統(tǒng)，主要用來(lái)保證船舶的航行安全，提高船舶的航行效率、保護(hù)水域環(huán)境的安全。作為船舶交通管理系統(tǒng)核心的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，其主要任務(wù)是將來(lái)自雷達(dá)接收機(jī)載有目標(biāo)信息的回波進(jìn)行加工，在終端設(shè)備中顯示或指示目標(biāo)的存在、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)、有無(wú)碰撞危險(xiǎn)、安全航行方案等。同時(shí)，船舶導(dǎo)航雷達(dá)作為保障航行安全的重要工具，已成為船舶上不可缺少的導(dǎo)航和避碰設(shè)備之一，不僅大型、遠(yuǎn)洋船舶必須安裝，漁船、游艇等各種小型船舶也已普遍安裝導(dǎo)航雷達(dá)。
DSP芯片概述
數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科?，F(xiàn)實(shí)世界中，我們被不同形式的各種信號(hào)所包圍。有些信號(hào)來(lái)自自然，而大部分的信號(hào)是人造的；有些信號(hào)是必需的，而很多信號(hào)在給定場(chǎng)合下是不受歡迎或是不需要的。普遍地說(shuō)，信號(hào)處理是用來(lái)提取、增強(qiáng)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸有用信息的一種運(yùn)算。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)大部分是模擬信號(hào)，它們的幅度隨時(shí)間連續(xù)地變化，通常采用無(wú)源或有源的元器件對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，這種方法稱為模擬信號(hào)處理ASP。ASP的主要缺點(diǎn)是在做復(fù)雜信號(hào)處理時(shí)能力有限，這就造成了處理的不靈活和系統(tǒng)時(shí)間的復(fù)雜性。與ASP相對(duì)應(yīng)，數(shù)字信號(hào)處理DSP是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、交換、綜合、估值與識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于利用的目的。它具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①用DSP方法的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以利用通用計(jì)算機(jī)上的軟件來(lái)進(jìn)行，因此DSP比較容易開(kāi)發(fā)和測(cè)試，且軟件是可移植的。②DSP運(yùn)算只是單純地基于加法和乘法，這造就了特別穩(wěn)定的處理能力—如不易受溫度的影響。③DSP運(yùn)算可方便地作實(shí)時(shí)的修改，通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d。④由于超大規(guī)模集成電路VLSI的應(yīng)用而降低了存儲(chǔ)器、門、微處理器等的價(jià)格，DSP比較便宜。
DSP在雷達(dá)信號(hào)中的應(yīng)用
作為面向數(shù)字信號(hào)處理的可編程嵌入式處理器，DSP具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)所涉及的主要技術(shù)包括：數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應(yīng)波束形成和旁瓣對(duì)消等，通常需要完成大量具有高度重復(fù)性的實(shí)時(shí)計(jì)算。DSP可以利用硬件算術(shù)單元、片內(nèi)存儲(chǔ)器、哈佛總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結(jié)構(gòu)，高速完成FFT、FIR、復(fù)數(shù)乘加、相關(guān)、三角函數(shù)以及矩陣運(yùn)算等數(shù)字信號(hào)處理。因此，DSP非常適合雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)。DSP在雷達(dá)信號(hào)處理器設(shè)計(jì)中具有很大的靈活性和適用范圍，它不僅增強(qiáng)了信號(hào)處理的速度和能力，大大提高了信號(hào)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而且適合多功能可編程并行處理和陳列處理，滿足高速并行處理的要求。
高適應(yīng)性和多功能是現(xiàn)在雷達(dá)系統(tǒng)所應(yīng)有的兩個(gè)基本特征，一方面要求雷達(dá)在復(fù)雜波環(huán)境下具有很高的檢測(cè)概率和很低的虛警率；另一方面要求雷達(dá)在相同的平臺(tái)上具有多功能，不但需要發(fā)現(xiàn)并測(cè)定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還要進(jìn)行分析處理，判定其屬性和威脅程度，進(jìn)行輔助決策，并將目標(biāo)信息直接傳遞給信息中心。因此，在現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮運(yùn)算量、運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、體積的要求，還要考慮系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用性、可擴(kuò)展性及其相關(guān)的技術(shù)。下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)四個(gè)方面介紹DSP在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。
現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)并行處理系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，多種模塊構(gòu)成一個(gè)通用硬件平臺(tái)，根據(jù)軟件雷達(dá)的思想，通過(guò)改變算法和軟件，使其適應(yīng)不同的工作環(huán)境和任務(wù)需要。由于多DPS處理模塊具有運(yùn)算密集、體積小、實(shí)時(shí)性好以及處理時(shí)間可嚴(yán)格預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，通?？勺鳛橄到y(tǒng)的核心模塊。
數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)的選擇直接影響雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)隨著DPS芯片技術(shù)發(fā)展而逐步完善更新?lián)Q代。在此將相關(guān)技術(shù)分為4類：①基于高性能工作站或者分布式通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的實(shí)時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理器。②采用總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互是常見(jiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)。③交叉開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)。④專用數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)。
雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)不同于一般的軟件，其核心是基于DPS的嵌入式軟件，主要任務(wù)不是對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行變換，而是在各種硬件設(shè)備上執(zhí)行相應(yīng)的算法，完成相應(yīng)的功能，而計(jì)算機(jī)僅僅提供人機(jī)交互界面，進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和顯示結(jié)果。這種軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了分層方法，把軟件分成底層軟件和頂層軟件兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。這種層次化的軟件結(jié)構(gòu)，可以提高整個(gè)軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性、可移植性；而且由于軟件開(kāi)發(fā)人員只需要考慮自己層次的開(kāi)發(fā)內(nèi)容，有效地提高了軟件代碼的開(kāi)發(fā)效率。
作者：武漢工業(yè)學(xué)院梁莉娟 來(lái)源：中國(guó)水運(yùn)
